硝化污泥對(duì)抗菌藥物共代謝去除的研究進(jìn)展*

劉夢(mèng)夢(mèng) 郭 寧 劉雨昊 朱兆亮

(山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250101)

隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展,抗菌藥物濫用問(wèn)題日益嚴(yán)峻,由此引起的耐藥細(xì)菌和耐藥基因的污染等問(wèn)題也備受矚目。目前,污水中抗菌藥物的去除主要通過(guò)生物降解法、物理化學(xué)法和高級(jí)氧化法,其中生物降解法在污水處理廠中應(yīng)用較廣泛,具有處理效率高、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外專家對(duì)抗菌藥物生物降解已開(kāi)展了大量研究。研究表明,污水處理工藝中的活性污泥法對(duì)抗菌藥物的去除效果有限[1],甚至存在負(fù)去除率的情況。近期有研究發(fā)現(xiàn),硝化污泥可實(shí)現(xiàn)抗菌藥物的共代謝[2]5442,[3]275。然而,硝化污泥對(duì)抗菌藥物的共代謝過(guò)程較復(fù)雜,功能菌的作用還沒(méi)有形成共識(shí),機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。本研究系統(tǒng)闡述了硝化污泥中不同類型抗菌藥物的共代謝去除作用,結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展,總結(jié)了氨氧化微生物在抗菌藥物共代謝中的作用,闡述了抗菌藥物共代謝過(guò)程中耐藥基因的歸趨,以期為有效去除抗菌藥物提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 抗菌藥物的共代謝

硝化污泥中氨氧化微生物氨單加氧酶亞基A(amoA)編碼的非特異性氨單加氧酶(AMO)基質(zhì)利用范圍較廣,可在生長(zhǎng)底物存在的條件下,提高非生長(zhǎng)底物的降解速率,實(shí)現(xiàn)難降解污染物的共代謝[4-5]?？咕幬锿ǔＲ晕⒘繚舛却嬖谟谏锾幚硐到y(tǒng)中[6],對(duì)氨氧化微生物的抑制作用有限,使得共代謝作為硝化污泥中抗菌藥物降解的主要途徑成為可能。近年來(lái),很多研究表明,硝化污泥可有效促進(jìn)多種抗菌藥物降解[7-9],并且操作因素對(duì)抗菌藥物的去除效果有顯著影響。本研究主要綜述了大環(huán)內(nèi)酯類、磺胺類、β-內(nèi)酰胺類抗菌藥物的共代謝去除效果及其影響因素。

1.1 大環(huán)內(nèi)酯類

大環(huán)內(nèi)酯類抗菌藥物包括紅霉素、羅紅霉素等。MARTINEZ QUINTELA等[10]研究表明,硝化污泥中紅霉素、羅紅霉素生物降解的主要機(jī)制是共代謝。據(jù)報(bào)道,硝化污泥中影響大環(huán)內(nèi)酯類抗菌藥物共代謝的因素有溫度、水力停留時(shí)間(HRT)。FERNANDEZ FONTAINA等[2]5441認(rèn)為,硝化污泥中紅霉素、羅紅霉素的生物降解率較低與采樣期較低的溫度(17～20 ℃)、過(guò)長(zhǎng)的HRT有關(guān)。不同類型抗菌藥物的適宜溫度不同,而適宜溫度會(huì)促進(jìn)抗菌藥物的溶解、提高微生物的活性、改變微生物的生長(zhǎng)速率及群落結(jié)構(gòu)[11-12],從而影響抗菌藥物的去除。

1.2 磺胺類

磺胺類抗菌藥物包括磺胺甲惡唑、磺胺嘧啶等。研究表明,硝化污泥中氨氧化微生物能共代謝磺胺類抗菌藥物。如通過(guò)硝化污泥的共代謝作用,磺胺甲惡唑被降解為N4-乙酰基-磺胺甲惡唑、4-硝基-磺胺甲惡唑和脫氨基-磺胺甲惡唑,磺胺嘧啶的去除率高達(dá)99%[13]。另外,溫度、pH、污泥停留時(shí)間(SRT)、HRT是影響磺胺類抗菌藥物降解的重要因素。SUAREZ等[14]發(fā)現(xiàn),與14～18 ℃相比,磺胺甲惡唑在18～23 ℃下的降解率提高了30%。pH通過(guò)影響微生物的生理特性、污染物的理化性質(zhì)等進(jìn)而影響抗菌藥物的降解程度。TADKAEW等[15]發(fā)現(xiàn),當(dāng)pH為5～7時(shí),磺胺甲惡唑去除率高達(dá)90%,之后隨pH的增加而降低。SRT表示微生物在硝化污泥中的平均停留時(shí)間,與微生物的生長(zhǎng)速率有關(guān),控制微生物群落的多樣性。XIA等[16]36研究SRT對(duì)抗菌藥物去除和微生物群落結(jié)構(gòu)的影響時(shí)發(fā)現(xiàn),較長(zhǎng)的SRT(30 d以上)是去除磺胺甲惡唑、磺胺嘧啶的適宜操作條件。PENG等[17]470證實(shí),隨著HRT從8 h延長(zhǎng)到96 h,出水磺胺甲惡唑濃度提高。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可歸因于較長(zhǎng)的HRT導(dǎo)致底物氨氮負(fù)荷率降低,從而造成磺胺甲惡唑的去除率降低。此外,SRT和HRT是緊密聯(lián)系的,尋找去除硝化污泥中磺胺類抗菌藥物的最佳SRT和HRT也是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

生長(zhǎng)底物是為氨氧化微生物提供能量來(lái)源的物質(zhì)(主要為氨氮),其對(duì)磺胺類抗菌藥物共代謝的影響也早有研究。如PENG等[17]465發(fā)現(xiàn),磺胺甲惡唑的去除率隨進(jìn)水氨氮濃度的增加而提高。然而,過(guò)高濃度的氨氮會(huì)抑制抗菌藥物的共代謝[2]5434,[18]。共代謝過(guò)程中生長(zhǎng)底物和非生長(zhǎng)底物會(huì)發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)(即氨氮和抗菌藥物的競(jìng)爭(zhēng)),當(dāng)生長(zhǎng)底物的濃度遠(yuǎn)高于非生長(zhǎng)底物時(shí),非生長(zhǎng)底物的去除會(huì)受到明顯的抑制,因此非生長(zhǎng)底物與生長(zhǎng)底物的濃度比保持在一定范圍內(nèi)有助于獲得最高的共代謝效能。

1.3 β-內(nèi)酰胺類

β-內(nèi)酰胺類抗菌藥物主要有頭孢氨芐、氨芐青霉素、阿莫西林等。WANG等[3]280發(fā)現(xiàn),強(qiáng)化硝化污泥中頭孢氨芐的去除歸功于氨氧化微生物的共代謝。SRT是影響β-內(nèi)酰胺類抗菌藥物共代謝的重要因素。如XIA等[16]39發(fā)現(xiàn),較長(zhǎng)的SRT(30 d以上)可有效去除氨芐青霉素,當(dāng)SRT從30 d調(diào)整為10 d時(shí),氨芐青霉素的去除率下降。因此,明確硝化污泥中抗菌藥物共代謝過(guò)程的關(guān)鍵影響因素,可優(yōu)化抗菌藥物去除效果,從而減少抗菌藥物及其降解產(chǎn)物對(duì)環(huán)境的危害。

1.4 影響因素

硝化污泥中抗菌藥物共代謝去除的主要影響因素見(jiàn)表1。

2 氨氧化微生物在抗菌藥物共代謝去除過(guò)程中的作用

氨氧化微生物包括氨氧化古菌(AOA)和氨氧化細(xì)菌(AOB)。目前,AOB和AOA共存已在水處理系統(tǒng)中得到了證實(shí),但它們?cè)谖廴疚锶コ^(guò)程中的貢獻(xiàn)和作用仍存在爭(zhēng)議。如在各種類型的濕地中發(fā)現(xiàn),AOA豐度往往超過(guò)AOB一個(gè)數(shù)量級(jí),并且一些AOA菌株的氨氮的半飽和常數(shù)遠(yuǎn)低于AOB,表明AOA對(duì)基質(zhì)有更大的親和力,比AOB具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[21-24]。相比之下,在大多數(shù)污水處理廠中,AOB作為氨氧化作用的驅(qū)動(dòng)力,其豐度比AOA高3個(gè)數(shù)量級(jí)。以上差異可能是由于AOA比AOB更能適應(yīng)極端條件,如低氨氮、低pH、高毒性等。硝化污泥中以AOB為主要驅(qū)動(dòng)力的氨氧化微生物已被證實(shí)共代謝各種抗菌藥物[25]。如KASSOTAKI等[26]115證實(shí),AOB分泌的AMO能共代謝去除磺胺甲惡唑。硝化污泥中抗菌藥物的共代謝與AOB的硝化速率存在著顯著關(guān)系[27]。FERNANDEZ FONTAINA等[2]5439觀察到,在硝化污泥中抗菌藥物受硝化速率的影響較大,當(dāng)最低比硝化速率為0.12 g/(g·d)時(shí),抗菌藥物的生物降解率最低。這是因?yàn)锳OB硝化速率的提高增強(qiáng)了AOB的生物活性,從而促進(jìn)AOB產(chǎn)生更多AMO,更多的AMO在進(jìn)行氨氧化時(shí)能更有效促進(jìn)抗菌藥物的共代謝[2]5442,[26]111。

以AOA為主要驅(qū)動(dòng)力的系統(tǒng)也可共代謝抗菌藥物。在海岸濕地中,AOA可促進(jìn)氨基糖苷類(鏈霉素)和青霉素的共代謝,且受到的影響較弱,相比之下,抗菌藥物的存在顯著抑制了AOB的活性[28]。另外,有研究發(fā)現(xiàn),AOA促進(jìn)了四環(huán)素的共代謝,而AOB的amoA基因在低濃度四環(huán)素下豐度較高,在高濃度四環(huán)素下豐度較低,這說(shuō)明高濃度四環(huán)素產(chǎn)生了較強(qiáng)的毒性,抑制了AOB的活性,而AOA具有更強(qiáng)的毒性抗壓能力[29]。值得注意的是,廢水處理系統(tǒng)中AOA或AOB的高豐度不一定反映它們?cè)诎毖趸饔弥械膬?yōu)勢(shì)。如JIA等[30]發(fā)現(xiàn),AOA的amoA基因豐度比AOB更高,但借助分子生物學(xué)技術(shù)發(fā)現(xiàn),AOB在氨氧化中起主導(dǎo)作用,而不是AOA。同樣DI等[31]觀察到,AOA的豐度與AOB幾乎相等,但隨著氨氮濃度的增加,只有AOB的amoA基因豐度增加了3～10倍。AOA和AOB中amoA基因的表達(dá)量可作為AOA和AOB活性的生物標(biāo)志物,因此可通過(guò)測(cè)定amoA基因的表達(dá)量確定抗菌藥物共代謝過(guò)程中AOA和AOB的作用。如WANG等[3]275發(fā)現(xiàn),加入低濃度的頭孢氨芐,AOB的amoA基因表達(dá)量上升,頭孢氨芐去除后,amoA基因表達(dá)量恢復(fù)正常,這說(shuō)明AOB促進(jìn)了頭孢氨芐的去除。

表1 硝化污泥中抗菌藥物共代謝去除的主要影響因素Table 1 Major factors influencing the co-metabolic removal of antimicrobial agents in nitrifying sludge systems

綜上,硝化污泥中AOA和AOB共存,在不同條件下共代謝抗菌藥物,但共代謝機(jī)理還有待進(jìn)一步研究,如AOA和AOB分泌的AMO針對(duì)不同的抗菌藥物的活性位點(diǎn)、所參與的基團(tuán)等,這對(duì)于深入了解抗菌藥物的共代謝去除和污水處理廠的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

3 抗菌藥物共代謝過(guò)程中耐藥基因的歸趨

耐藥基因作為一種新興環(huán)境污染物,能在不同環(huán)境介質(zhì)及物種間傳播、擴(kuò)散,其存在的潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)高于抗菌藥物。WANG等[32]考察了硝化污泥中三氯生對(duì)耐藥基因的歸趨影響,并測(cè)定了移動(dòng)基因元件的豐度。移動(dòng)基因元件可促進(jìn)耐藥基因在微生物之間的水平轉(zhuǎn)移,而水平轉(zhuǎn)移是耐藥基因傳播的重要途徑。結(jié)果發(fā)現(xiàn),三氯生的加入促進(jìn)了多種耐藥基因的富集,包括烯酰?；d體蛋白還原酶編碼基因(fabI、fabI1)和外排泵編碼基因(mexF)。另外三氯生的投加還提高了移動(dòng)基因元件整合子基因(intI1、intI3)和轉(zhuǎn)座子基因(IS613)的豐度,從而會(huì)促進(jìn)耐藥基因的水平轉(zhuǎn)移。同樣WANG等[33]研究了四環(huán)素對(duì)硝化污泥中四環(huán)素抗性基因(tetA、tetM、tetX)的影響,結(jié)果表明：加入20 mg/L的四環(huán)素后,tetA、tetM、tetX基因的豐度提高了2～4個(gè)數(shù)量級(jí),并且intI1基因的豐度也顯著提高;通過(guò)將耐藥基因豐度與微生物菌屬豐度進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),硝化螺旋菌屬(Nitrospira)和亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonas)是攜帶耐藥基因的耐藥菌,維持了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。SHENG等[34]發(fā)現(xiàn),四環(huán)素的加入提高了四環(huán)素抗性基因(tetD、tetG、tetQ、tetO)和intI1基因的豐度,并且只有在較高質(zhì)量濃度(1、10 mg/L)的四環(huán)素下,tetO基因才被檢測(cè)出來(lái),說(shuō)明四環(huán)素促進(jìn)了耐藥基因的富集。

綜上,硝化污泥中抗菌藥物的加入會(huì)促進(jìn)耐藥基因的富集,提高耐藥基因轉(zhuǎn)移傳播的風(fēng)險(xiǎn)。但在抗菌藥物共代謝去除過(guò)程中,耐藥基因的轉(zhuǎn)移機(jī)制仍不明確,耐藥基因傳播可通過(guò)垂直和水平轉(zhuǎn)移,目前關(guān)于兩者在耐藥基因傳播過(guò)程中的作用和貢獻(xiàn)的研究較少,需要對(duì)硝化污泥共代謝去除抗菌藥物過(guò)程中耐藥基因的轉(zhuǎn)移機(jī)制進(jìn)行研究,才能為耐藥基因的控制提供科學(xué)參考。

4 總結(jié)及展望

系統(tǒng)綜述了硝化污泥中不同類型抗菌藥物的共代謝去除,結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展,介紹了氨氧化微生物在抗菌藥物共代謝中的作用,并闡述了抗菌藥物共代謝過(guò)程中耐藥基因的歸趨。然而,硝化污泥共代謝去除抗菌藥物機(jī)制較復(fù)雜,硝化污泥出水中含有大量的耐藥基因,因此實(shí)現(xiàn)有效的抗菌藥物去除和去除過(guò)程中減少耐藥基因的產(chǎn)生依然存在問(wèn)題和挑戰(zhàn)。為有效去除抗菌藥物和耐藥基因,今后的研究應(yīng)集中在以下方面：(1)探究AOA/AOB分泌的AMO和抗菌藥物反應(yīng)的活性位點(diǎn),確認(rèn)反應(yīng)所參與的基團(tuán),優(yōu)化反應(yīng)條件,提高共代謝效能。(2)研究硝化污泥中抗菌藥物的共代謝產(chǎn)物,明確降解路徑,揭示抗菌藥物的共代謝機(jī)理。(3)探討硝化污泥中水平和垂直轉(zhuǎn)移對(duì)耐藥基因豐度的影響,開(kāi)展耐藥基因在污水和活性污泥微生物間轉(zhuǎn)移機(jī)制的研究,總結(jié)影響耐藥基因豐度的主要因素,并優(yōu)化共代謝過(guò)程,保證抗菌藥物高效去除的前提下減少耐藥基因的產(chǎn)生。(4)對(duì)硝化污泥出水中的耐藥基因進(jìn)行監(jiān)測(cè),并開(kāi)發(fā)有效的技術(shù)去除出水中的耐藥基因。